基于單片機的車內滯留人員安防系統的設計

李佳星，梁廣彪，任博，劉同，馮雨航，李瑞英

（大慶師范學院機電工程學院，黑龍江大慶，163712）

0 引言

隨著我國經濟的持續穩定發展和我國人民生活水平的提高，越來越多的機動車輛正在成為現代的重要交通工具，車輛的安全已成為一個問題。對諸如安全保護，例如安全氣袋、安全帶和跟蹤前的警報器，是防止車輛在行駛中發生個人事故的安全措施，在滅火后留下的兒童的人身安全沒有保護;警報器是車輛車輛、噪音噪音、干擾和許可證不準確的主要原因。關于這兩個點，已經設計了一個有效的兒童保護系統，使用低成本車輛，實用性較強的車載兒童安防系統“平安狗”，通過采用單片機控制和多種傳感器融合的手段設計了一款智能的車載人員安防系統，即在感知到駕駛員駐車離開后，主動判斷車內有無滯留人員，并自動監測車內的環境數據；當監測到車內的溫度或者二氧化碳的濃度過高，車內兒童有窒息或者脫水的危險時，本系統會采取一系列措施主動解救車內被困兒童，還會自動向車輛聯系人的手機發送求救信息，為救援搶救贏得時間，挽救被困兒童的生命。本裝置還可以根據用戶需求，修改車輛聯系人的手機號。它非常實用，市場前景良好。

1 本系統的應用背景

目前，國內外的大小城市，汽車已經非常普及，這給人們帶來了極大的便利，同時也帶來了諸多潛在的安全隱患。由于家長們和看護者的疏忽大意，孩子被遺留并鎖在車里并不罕見。被困在車內的兒童可能會脫水、中暑、過熱、溺水甚至死亡。實踐研究表明，如果車門關閉且環境溫度超過37°C左右，則車內溫度有55%的機會在5分鐘內升高至15分鐘內的最高溫度，而從51°C升高至75%。上升到67℃。在某些情況下，嬰兒會在5分鐘內失去對體溫的控制，而高溫會在15至55分鐘內發生。

據統計，在1999年至2007年之間，美國有231名兒童死于車溫過高，其中80%以上是由于父母將孩子留在車里造成的。在2001年至2010年之間，在美國涉及兒童的非交通事故中，有58%被車輛熱輻射致死。在夏季，在密封的汽車中容易中暑，這可能會導致多器官功能障礙或致命性衰竭。涉及卡在汽車中的兒童的安全事故占汽車非交通事故死亡的大部分。這表明解決安全問題具有很重要現實意義。基于上述基準，本文設計基本技術參數為：重量5千克，能耗10w/h。數據采集誤差范圍±0.05，工作環境在-35至65℃之間的安全系統。

表1 貼膜與不貼膜車內溫度上升情況

2 車載兒童安防系統研究

■2.1 本系統基本功能及條件

針對被困車內人員安防和車輛防盜這兩個社會關注度非常高的痛點問題，目前國內外主要研究為以下兩類：一類是基于對門鎖的檢測，檢測汽車門窗門是否關閉，同時配合座椅壓力傳感器來確定汽車中是否有小孩，但是此法不具有遠程警報和防忘記功能，很難實現。一類是基于點火開關的檢測，例如通過檢測車鑰匙是否在鑰匙孔中以確定車輛是否停止；通過壓力傳感器和溫度傳感器進一步確定是否有人員被滯留在車內，但是此法不利于于產品的推廣。此外，碎片可能會導致系統錯誤判斷。而采用多個傳感器的檢測以及遠程防忘和自救功能是我們研究的關鍵主題：系統自動化和智能營救被困兒童可以顯著降低被困兒童死亡的可能性。

針對被困車內人員安防和車輛防盜這兩個社會關注度非常高的痛點問題，目前國內外主要研究為以下兩類：一類是基于對門鎖的檢測，例如確定門是否關閉以及結合座椅壓力傳感器來確定汽車中是否有小孩，但是這種方法不具有遠程警報和防忘記功能，并且沒有更復雜的中央控制門鎖很難實現。一類是基于點火開關的檢測，例如車鑰匙是否在鑰匙孔中以確定車輛是否停止；壓力和溫度傳感器進一步確定是否有孩子被困在車內。但是，由于該設計結合了汽車的內部，因此對于產品的推廣極為不利。此外，碎片可能會導致系統錯誤判斷。總之，二氧化碳濃度傳感器、光電傳感器、霍爾傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等多個傳感器的檢測以及遠程的防遺忘和自救功能是此項研究的關鍵問題：系統自動化和智能營救被困兒童可以顯著降低被困兒童死亡的可能性。

為了解決以上痛點問題，同時滿足人們對安全、價格、可靠性等的需求，該系統的實施必須遵守以下限制和要求：(1)降低成本提高性價比：系統成本要低，除高精度檢測元件外，要控制或降低成本；(2)要求設備易于操作，穩定性好，功耗低；(3)為了提高靈敏度和傳輸時效性，要求所采用的傳感器具有較的高靈敏度，同時具有實時數據傳輸功能；(4)體積小巧，具有便攜性，從而能夠滿足后續安裝在車輛上的需要；(5)既可以自動營救被困兒童，同時能夠主動尋求主人或警察等的幫助。

■2.2 本系統主要部件及功能

基于單片機的車內滯留人員安防系統如圖1所示。監測裝置主要包括檢測：二氧化碳濃度傳感器、光電傳感器、霍爾傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等，可用于實時檢測車內二氧化碳濃度、溫度、濕度、汽車座椅壓力等等參數。中央處理器主要由原車電源供電，接收、計算、處理信號并驅動執行機構執行相應的任務。執行機構主要包括：短信通信模塊、發光器、發聲器、空調通風系統控制器、車窗升降電機等，可用于檢測到有人員滯留在車內時，實時發送短信給車主或其他營救人員，同時驅動原車警示燈，發光警示的同時驅動器發出報警聲，并自動打開通風系統，驅動原車配置的空調通風系統和原車車窗升降系統，從而避免由于溫度過高或者氧氣稀薄造成的車內滯留人員身體不適，甚至窒息死亡，達到保護滯留車內兒童的安全的目的。

圖1 車內滯留兒童監測系統結構框圖

3 系統詳細設計

這次設計使用到的編程軟件是MDK5，MDK5是一款非常適合開發STM32芯片的編程軟件。 STM32系列的處理器是基于ARM公司設計的M系列內核開發的微處理器，我們設計中使用的STM32F103C8T6是基于M3內核的微處理器，與MDK5的兼容性非常強。同時MDK5還可以優化代碼，減小代碼占用的內存空間。在編程之前我們需要解壓STM官方提供的固件，選擇好芯片的型號以及芯片的flash的大小，把STM官方提供的庫文件添加到新建的工程中，經編譯無錯誤就可以編寫我們的系統代碼。

■3.1 系統硬件原理圖

本裝置是一種防止駐車后車內人員發生安全事故的報警裝置，基于單片機的車內滯留人員安防系統硬件原理圖如圖2所示。

■3.2 系統硬件材料

在該系統中，中央微控制器STM32C8T6是整個設計的核心部分，系統的輸入通道主要包括：安放在駕駛員座椅位置的人體的壓力傳感器、霍爾傳感器和紅外傳感器模塊。SIM800C和OLED屏幕，蜂鳴器，警告燈，窗戶電機和空調系統是系統的后通道，用于信號輸出。發生危險時，SIM800C會向目標手機號碼發送警報信息，MCU發出可變電平的信號使警報響起并閃爍車輛LED警告燈，打開車窗和空調系統。OLED屏幕充當人類互動的中心，顯示一些重要的系統參數。系統的控制參數和時間設置可以通過彈片按鈕方便快捷的實現。此設計中的按鈕主要用于更改系統時間。

■3.3 系統調試

（1）串口調試助手測試介紹

SIM800C支持AT指令集配置發送模式以及發送內容，下面就介紹一下SIM800C的AT指令以及串口調試助手上的驗證。如果利用CH340，PL2302等，則直接連接gsm模塊，模塊的電源有5V和BAT ，只需要連接5V，bat引腳不用連接，這個是用鋰電池供電時接4.2V鋰電池的，串口模塊5V接模塊5V；串口模塊地接模塊gnd；串口模塊T接模塊R；串口模塊R接模塊T。

（2）打開串口調試助手，參數設置為如圖3所示：參數設置完畢之后發送ATE1，返回OK則連接成功。

圖2 基于單片機的車內滯留人員安防系統硬件原理圖

圖3 XCOM發送相關AT指令

（3）模塊軟件程序

printf("ATE1 ");//開回顯

printf("AT+CMGF=1 ");//設置為文本模式

printf("AT+CMGS="17344098802" ");

//目標手機號

printf(“Auto theft warning”);

USART_SendData(USART1 ,0X1A); //發送結束符

程序中的” ”意思是回車換行，首先發送AT指令ATE1開回顯，意思是你發送的命令會返回給單片機，這里我們設置為返回，其實這里開關都不影響。第二個發送AT+CMGF=1，設置模塊為文本模式，只能發送英文短信。之后則發送目標手機號，隨后發送需要發送的內容，最后發送查詢指令16進制下的1A,如果模塊向串口調試助手返回+CMGS則表明短信發送成功，等待短信到目標手機上即可。

4 系統工作流程圖

基于單片機的車內滯留人員安防系統采用傳感器作為監測裝置，單片機來處理信號和驅動執行裝置，系統的工作流程圖如圖4、5所示。

當駕駛員停車并離開時，該設備會自動啟動，并使用傳感器檢測汽車的溫度和二氧化碳濃度；當檢測到車內人員有危險時，除了控制車輛自身解救兒童外，還會向車輛聯系人的手機發送報警信息。短信號碼我們通過上位機把它存儲在單片機的flash存儲器里。后期可根據需求，修改手機號碼和拓展聯系人。本裝置最多可以向2個車輛聯系人的手機發送報警信息，當向第一位聯系人發送報警信息后，隔一分鐘后，再向第二位聯系人發送報警。

5 基于單片機的車內滯留人員安防系統功能測試流程

基于單片機的車內滯留人員安防系統功能測試流程的主要步驟如下：

圖4 監測裝置軟件流程圖

圖5 報警裝置指令軟件流程圖

（1）車內滯留人員安防系統硬件電路連接

首先要根據硬件接線圖，執行物理連接，確認連接正確，然后向MCU提供3.3 V電源電壓，傳感器5V供電，SIM800C通信模塊5V供電。

（2）系統功能測試

分別模擬車內有人，車內無人；駕駛員駐車離開，駕駛員沒有駐車離開；車內環境危險，車內環境不危險等這些情況下系統的反應，記錄實驗數據，繪制表格。

（3）實驗結束后，關閉MCU和傳感器并整理實驗設備。

圖6 短信收發功能測試現場

表2 短信接收測試情況

6 任務完成情況

圖7 實物外觀圖

圖8 液晶顯示圖

測試所研究項目的運行和性能，本次設計的系統能夠實現滯留兒童監測預警功能，可以實現自動解救兒童，車輛駕駛人報警提醒等功能，可后期加裝在原車上，不改變原車性能，在實際的生活中可以真正做到解救兒童的目的。

7 結論

設計了一款通過采用單片機控制和多種傳感器融合的手段設計了一款成本低、可后期加裝、實用性較強的智能車載人員安防系統“平安狗”。在感知到駕駛員駐車離開后，主動判斷車內有無滯留人員，并自動監測車內的環境數據；當監測到車內的溫度或者二氧化碳的濃度過高，車內兒童有窒息或者脫水的危險時，本系統會采取一系列措施主動解救車內被困兒童，還會自動向車輛聯系人的手機發送求救信息，為救援搶救贏得時間，挽救被困兒童的生命。本裝置還可以根據用戶需求，修改車輛聯系人的手機號，方便快捷，可移植性強。